DE102008001000B4 - Layer system for electrodes - Google Patents

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Abstract

Schichtsystem für Elektroden, bestehend aus einem piezoelektrischen Substrat mit darauf befindlichen oder im Substrat eingebetteten Streifenstrukturen aus einem Kompositmaterial, welches aus einem metallischen Matrixmaterial mit mindestens einer Einlagerungsphase aus Kohlenstoffnanostrukturen besteht.Layer system for electrodes, consisting of a piezoelectric substrate with or embedded in the substrate strip structures of a composite material, which consists of a metallic matrix material having at least one storage phase of carbon nanostructures.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstoffwissenschaften und betrifft ein Schichtsystem für Elektroden, insbesondere für Interdigitalwandler für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente, und speziell für Interdigitalwandler für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente, welche beispielsweise als Frequenzfilter, Sensoren oder Aktuatoren zum Einsatz kommen können, aber auch für Elektroden von anderen mikro-elektromechanischen Systemen.The This invention relates to the field of materials science and relates to a layer system for Electrodes, in particular for Interdigital transducer for surface acoustic wave devices, and especially for Interdigital transducer for surface acoustic wave devices, which, for example, as a frequency filter, sensors or actuators can be used but also for electrodes from other micro-electro-mechanical systems.

Akustische Oberflächenwellen-Bauelemente (Surface Acoustic Wave (SAW)-Bauelemente) bestehen im Allgemeinen aus einem piezoelektrischen Substrat oder einer piezoelektrischen Dünnschicht auf einem nichtpiezoelektrischem Substrat und aus einem oder mehreren Interdigitalwandlern (IDT) zur Ein- und Auskopplung der elektrischen Energie, sowie aus entsprechenden Kontaktierungsbereichen (Pads).acoustic Surface wave components (Surface Acoustic wave (SAW) components) generally consist of a piezoelectric substrate or a piezoelectric thin film a non-piezoelectric substrate and one or more Interdigital transducers (IDT) for coupling and decoupling the electrical Energy, as well as from corresponding contact areas (pads).

Bei dem Betrieb der akustischen Oberflächenwellen-Bauelemente bei hohen Temperaturen und/oder hohen SAW-Leistungen kann es zu stressinduzierten Ausfällen bei SAW-Bauelementen durch Migrationseffekte (Akustomigration), zu Abplatzungen (Versagen des Interface Metallschicht-Substrat) oder zur Rissbildung im Substrat selbst kommen. All dies limitiert die Leistungsverträglichkeit, die Zuverlässigkeit, sowie die Lebensdauer der Bauelemente.at the operation of the surface acoustic wave devices at high temperatures and / or high SAW power may cause it to be stress-induced precipitate for SAW components due to migration effects (akustomigration), to flaking (failure of the interface metal layer substrate) or to cracking in the substrate itself. All this limits the Power compatibility, the reliability, as well as the lifetime of the components.

Ein weiteres Problem bei SAW-Bauelementen besteht in der Kontaktierung der IDT, wofür haftfeste Verbindungen zwischen einem Kontaktelement (z. B. Al- oder Au-Draht) und den Pads realisiert werden müssen. Für Bauelemente mit Betriebsfrequenzen im GHz-Bereich müssen diese Pads außerdem entsprechend aufgedickt werden (Erhöhung der Schichtdicke der Metallisierung im Padbereich).One Another problem with SAW components is the contact the IDT, for what adherent connections between a contact element (eg. or Au wire) and the pads must be realized. For components with operating frequencies in the GHz range, these pads must also be correspondingly be thickened (increase the layer thickness of the metallization in the pad area).

Interdigitalwandler für SAW-Bauelemente werden häufig entweder aus Al-basierten oder Cu-basierten Dünnschichtsystemen (Metallisierung) mit typischen Abmessungen einer Gesamtdicke von 50 bis 500 nm mit oder ohne Haftvermittlerschicht (meist Ti) hergestellt. Übliche Abscheideverfahren sind Elektronenstrahlverdampfen oder Magnetronsputtern. Diese Dünnschichtsysteme werden entweder als Einzelschicht oder als Legierungen oder als Multischichtsysteme abgeschieden. Die Strukturierung der Metallisierungsschichten erfolgt entweder über Lift-Off-Technik oder über Ätztechniken mit Hilfe einer Maske. Aufgrund eines gegebenen Zusammenhangs zwischen Migration und den mechanischen Eigenschaften der Metallisierung kann die Leistungsverträglichkeit und folglich auch die Lebensdauer der SAW-Bauelemente durch verbesserte thermomechanische Eigenschaften der Metallisierung erhöht werden.Interdigital transducer for SAW components often either from Al-based or Cu-based thin-film systems (metallization) with typical dimensions of a total thickness of 50 to 500 nm with or without adhesive layer (usually Ti) produced. Usual separation methods are Electron beam evaporation or magnetron sputtering. These thin-film systems be either as a single layer or as alloys or as multilayer systems deposited. The structuring of the metallization layers takes place either over Lift-off technique or via etching techniques with the help of a mask. Due to a given relationship between Migration and the mechanical properties of metallization can the power compatibility and consequently the lifetime of the SAW devices through improved thermomechanical Properties of the metallization can be increased.

Metallmatrix-Kompositmaterialien mit eingelagerten Kohlenstoffnanoröhren (CNT-MMC) sind in den letzten Jahren in Form von kompakten Pulvermaterialien bekannt geworden, wobei die speziell untersuchten CNT-Cu-Sintermaterialien merklich verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen.Metal matrix composite materials embedded carbon nanotubes (CNT-MMC) have been in shape in recent years Of compact powder materials have become known, the special investigated CNT-Cu sintered materials markedly improved mechanical Have properties.

Derartige Materialien sind aber aufgrund ihres Gefüges sowie ihrer pulvermetallurgischen Herstellung nicht für Metallisierungen für die Herstellung von SAW-Bauelementen geeignet, welche mit Dünnschichttechniken und mit Fingerbreiten der Interdigitalwandler bis in den sub-μm-Bereich hergestellt werden müssen.such But materials are due to their structure as well as their powder metallurgical Do not manufacture for Metallizations for the manufacture of SAW devices suitable, which with thin-film techniques and with finger widths of the interdigital transducers down to the sub-micron range must be made.

Weiter sind elektrochemische Verfahren bekannt zur Herstellung von metallischen Dünnschichten, wie z. B. Cu, Ni, Ag, oder ähnliche. Speziell ist auch ein Verfahren zur elektrochemischen Abscheidung von CNT-Cu-Kompositen ( US 2007/0199826 A1 , US 2007/0158619 A1 , US 7226531 B2 ) bekannt. Es wurde prinzipiell gezeigt, dass sich nach Funktionalisierung der CNTs über chemische Methoden CNT-Cu-Kompositschichten auf Substraten mit verbesserten mechanischen und tribologischen Eigenschaften mittels Elektroplating herstellen lassen.Next, electrochemical methods are known for the production of metallic thin films, such as. As Cu, Ni, Ag, or the like. In particular, a process for the electrochemical deposition of CNT-Cu composites ( US 2007/0199826 A1 . US 2007/0158619 A1 . US 7226531 B2 ) known. It has been shown in principle that after functionalization of the CNTs by means of chemical methods, CNT-Cu composite layers can be produced on substrates having improved mechanical and tribological properties by means of electroplating.

Nach der US 6709562 B1 ist eine Methode zur Herstellung von in einem Isolator vergrabenen Leitbahnen für mikroelektronische Schaltkreise bekannt.After US Pat. No. 6,709,562 B1 is a method for the production of buried in an insulator interconnects for microelectronic circuits known.

Weiter ist nach US 7226531 B2 die Herstellung eines Verbindungsdrahtes („interconnection wire”) aus einem Kompositmaterial aus CNTs und Metall auf flexiblen Substraten bekannt.Next is after US 7226531 B2 the production of a connecting wire ("interconnection wire") made of a composite material of CNTs and metal on flexible substrates known.

Bekannt ist auch, dass Nanostrukturen und speziell Kohlenstoffnanoröhren, außergewöhnliche Eigenschaften aufweisen können [Dresselhaus, M. S., Dresselhaus, G., Avouris, P. (Eds.): Carbon Nanotubes, Synthesis, Structure, Properties, and Applications. Springer-V. Berlin (2001)].Known is also that nanostructures and especially carbon nanotubes, extraordinary properties can have [Dresselhaus, M.S., Dresselhaus, G., Avouris, P. (Eds.): Carbon Nanotubes, Synthesis, Structure, Properties, and Applications. Springer-V. Berlin (2001)].

Bekannt ist weiterhin nach der WO 2006/133466 A1 eine Anordnung zur Druckmessung, insbesondere bei gasgefüllten Reifen, bei der auf einem Trägersubstrat, welches einen nanokristallinen Kohlenstoff, vorzugsweise Kohlenstoff-Fullerene, Kohlenstoff-Nanofasern oder Kohlenstoff-Nanoröhren umfasst, eine Oberflächenwellen-Sensor mit Erreger- und Empfangselektrode angeordnet ist und der Oberflächenwellen-Sensor mit einer Oberfläche, auf die Druck ausgeübt wird, verbunden ist.It is still known after the WO 2006/133466 A1 an arrangement for pressure measurement, in particular in the case of gas-filled tires, in which a surface wave sensor with excitation and reception electrode is arranged on a carrier substrate which comprises a nanocrystalline carbon, preferably carbon fullerenes, carbon nanofibers or carbon nanotubes, and the surface acoustic wave Sensor is connected to a surface on which pressure is applied.

Ebenfalls bekannt ist nach der US 2003/0210111 A1 ein Oberflächenwellenfilter und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Dabei werden Kohlenstoffnanoröhren als Übertragungsmedium für die akustischen Wellen eingesetzt.Also known is the US 2003/0210111 A1 a surface acoustic wave filter and a method for its production. In doing so, Koh nenstoffnanoröhren used as a transmission medium for the acoustic waves.

Nachteile der bekannten Lösungen für Metallisierungen für Interdigitalwandler für SAW-Bauelemente bestehen vor allem in der noch nicht ausreichenden Leistungsbeständigkeit und Lebensdauer im Hinblick auf Akustomigration und mechanisch bedingte Abplatzungen oder Versagen des Interface zwischen Metallisierung und Substrat, insbesondere für Leistungsfilter, optische Anwendungen und für Aktuatoren.disadvantage the known solutions for metallizations for interdigital transducers for SAW components exist above all in the not yet sufficient power stability and lifetime in terms of acoustomigration and mechanical Chipping or failure of the interface between metallization and substrate, in particular for Power filters, optical applications and for actuators.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Schichtsystems für Elektroden mit verbesserter Leistungsverträglichkeit und Lebensdauer.The The object of the present invention is to specify a layer system for electrodes with improved power compatibility and lifetime.

Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Is solved the object by the invention specified in the claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Schichtsystem für Elektroden besteht aus einem piezoelektrischen Substrat mit darauf befindlichen oder im Substrat eingebetteten Streifenstrukturen aus einem Kompositmaterial, welches aus einem metallischen Matrixmaterial mit mindestens einer Einlagerungsphase aus Kohlenstoffnanostrukturen besteht.The Layer system according to the invention for electrodes consists of a piezoelectric substrate with it or substrate-embedded strip structures made of a composite material, which consists of a metallic matrix material with at least one Einlagerungsphase consists of carbon nanostructures.

Vorteilhafterweise ist das Schichtsystem für Interdigitalwandler für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente eingesetzt.advantageously, is the layer system for interdigital transducers for acoustic Surface Acoustic Wave Components used.

Weiterhin vorteilhafterweise weist das Kompositmaterial amorphes oder nanokristallines Gefüge auf.Farther Advantageously, the composite material has amorphous or nanocrystalline Structure on.

Ebenfalls ist als metallisches Matrixmaterial ein fcc-Material mit einer hohen Leitfähigkeit vorhanden.Also As a metallic matrix material, it is a high fcc material conductivity available.

Und auch vorteilhafterweise ist als metallisches Matrixmaterial Al, Cu, Ag, Au, Pt oder Ru vorhanden.And Also advantageously, as metallic matrix material Al, Cu, Ag, Au, Pt or Ru present.

Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn das metallische Matrixmaterial zu 50,1 bis 99,9 Vol.-% enthalten ist.It is also advantageous if the metallic matrix material to 50.1 to 99.9% by volume is included.

Und auch vorteilhaft ist es, wenn die Einlagerungsphase aus Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanodrähten, Fullerenen oder Graphenen besteht, wobei noch vorteilhafterweise die Kohlenstoffnanoröhren einwandig (Singlewall CNT) oder mehrwandig (Multiwall CNT) ausgebildet sind, und/oder die Einlagerungsphase in gerichteter Anordnung im Matrixmaterial enthalten ist und/oder als Einlagerungsphase vollständig gefüllte Kohlenstoffnanoröhren oder gefüllte Fullerene vorhanden sind oder eine Kombination von solchen und/oder als Einlagerungsphase eine Kombination von gefüllten Kohlenstoffnanoröhren oder gefüllten Fullerenen mit ungefüllten Kohlenstoffnanoröhren oder ungefüllten Fullerenen oder Graphenen vorhanden sind oder Kombination von solchen.And It is also advantageous if the intercalation phase consists of carbon nanotubes, carbon nanowires, fullerenes or graphene, and more advantageously the carbon nanotubes are single-walled (Single wall CNT) or multi-walled (multiwall CNT) are formed, and / or the storage phase in a directed arrangement in the matrix material is contained and / or as Einlagerungsphase completely filled carbon nanotubes or filled fullerenes are present or a combination of such and / or as Einlagerungsphase one Combination of filled Carbon nanotubes or filled Fullerenes with unfilled ones Carbon nanotubes or unfilled Fullerenes or graphenes are present or combination of such.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Kohlenstoffnanostrukturen durch katalytische CVD-Verfahren hergestellte Kohlenstoffnanostrukturen sind.Advantageous it is also when the carbon nanostructures by catalytic CVD method produced Are carbon nanostructures.

Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn neben der Einlagerungsphase weitere globulare, röhrenartige, stabförmige oder flächige Strukturen im Matrixmaterial enthalten sind.From It is also an advantage if in addition to the storage phase further globular, tubular, rod-shaped or area Structures are contained in the matrix material.

Und auch von Vorteil ist es, wenn die Kohlenstoffnanostrukturen der Einlagerungsphase stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Substrat verbunden sind. wobei noch vorteilhafterweise gerichtet angeordnete Kohlenstoffnanostrukturen der Einlagerungsphase alle mit einem Ende mit dem Substrat stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden sind.And It is also advantageous if the carbon nanostructures of the Storage phase cohesively and / or non-positively connected to the substrate. being still advantageously directed arranged carbon nanostructures of the storage phase all connected with one end to the substrate cohesively and / or non-positively are.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn zwischen Substrat und Schichtsystem eine Pufferschicht vorhanden ist.Also It is advantageous if between substrate and layer system one Buffer layer is present.

Weiterhin von Vorteil ist es, wenn auf dem Schichtsystem eine Deckschicht aufgebracht ist.Farther it is advantageous if on the layer system, a cover layer is applied.

Und auch von Vorteil ist es, wenn die Streifenstrukturen vollständig oder nahezu vollständig in das Substrat eingebettet sind.And It is also advantageous if the strip structures are complete or almost complete embedded in the substrate.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems für Elektroden werden entweder auf eine auf einem Substrat befindliche Keimschicht Partikel oder eine Schicht eines Katalysatormaterials aufgebracht, dieser Schichtverbund wird einer Temperaturerhöhung ausgesetzt und nachfolgend mittels plasmaunterstützter Verfahren Kohlenstoffnanostrukturen hergestellt, sowie nachfolgend mindestens die Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanostrukturen durch ein metallisches Matrixmaterial ausgefüllt und/oder bei dem auf ein Substrat mit oder ohne bereits darauf befindlichen Schichten mittels plasmaunterstützter Verfahren Partikel aufgebracht werden, die während oder nach dem Aufbringen zur Herausbildung von Kohlenstoffnanostrukturen führen und nachfolgend die Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanostrukturen durch ein metallisches Matrixmaterial ausgefüllt werden.at the method according to the invention for producing a layer system for electrodes are either on a substrate layer on a substrate particle or applied a layer of a catalyst material, this layer composite becomes a temperature increase exposed and subsequently by means of plasma-assisted processes carbon nanostructures produced, and subsequently at least the spaces between the Carbon nanostructures through a metallic matrix material filled out and / or on a substrate with or without layers already thereon by means of plasma-assisted Method particles are applied during or after application lead to the formation of carbon nanostructures and below the spaces between the carbon nanostructures through a metallic matrix material filled out become.

Vorteilhafterweise wird als Keimschichtmaterial Cu oder Ru oder TaN eingesetzt.advantageously, is used as a seed layer material Cu or Ru or TaN.

Weiterhin vorteilhafterweise werden als Katalysatormaterial Fe, Ni und/oder Co eingesetzt.Further advantageously, as Ka used as catalyst material Fe, Ni and / or Co.

Und auch vorteilhafterweise werden als Füllmaterial für die Kohlenstoffnanoröhren Fe, Ni und/oder Co eingesetzt.And also advantageously be used as filling material for the carbon nanotubes Fe, Ni and / or Co are used.

Ebenfalls vorteilhafterweise wird zwischen Substrat und Keimschicht eine Barriereschicht aufgebracht.Also Advantageously, a barrier layer is formed between the substrate and the seed layer applied.

Vorteilhaft ist es auch, wenn beim plasmaunterstützten Verfahren CH4-Gas eingesetzt wird, wobei noch vorteilhafterweise ein weiteres Gas zur Verdünnung des C-Gehaltes eingesetzt wird, welches vorteilhafterweise als Ar oder He eingesetzt wird.It is also advantageous if CH 4 gas is used in the plasma-assisted process, wherein advantageously a further gas is used for diluting the C content, which is advantageously used as Ar or He.

Von Vorteil ist es auch, wenn als metallisches Matrixmaterial Al, Cu, Ag oder Au eingesetzt werden oder Legierungen oder Multischichten derselben.From It is also advantageous if, as metallic matrix material, Al, Cu, Ag or Au are used or alloys or multilayers the same.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Nanostrukturen mit einer Zwischenschicht versehen sind, die bevorzugt mittels Atomic Layer Deposition (ALD) aufgebracht wird, wobei vorteilhafterweise die Zwischenschicht aus einem Metall oder einem Oxid oder Nitrid wie Ru, Ta, Ti, TaN, TiN, Hf-Oxid oder Zr-Oxid oder Multischichten oder Legierungen davon besteht und als solches eingesetzt wird.Also it is advantageous if the nanostructures with an intermediate layer which are preferably applied by means of atomic layer deposition (ALD) is, where advantageously the intermediate layer of a metal or an oxide or nitride such as Ru, Ta, Ti, TaN, TiN, Hf oxide or Zr oxide or multilayers or alloys thereof, and as such is used.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmals möglich, ein Kompositmaterial als Material für Elektroden und insbesondere für die Fingerelektroden der Interdigitalwandler von akustischen Oberflächenwellen-Bauelementen zu verwenden. Der Einsatz von Kompositmaterialien auf Basis eines Metalls oder einer Metalllegierung oder Metallmultischichten in Verbindung mit Nanostrukturen als Einlagerungsphase als Dünnschichtsysteme als Material für Fingerelektroden der Interdigitalwandler ist bisher nicht bekannt. Insbesondere ist nicht bekannt der Einsatz von Kohlenstoffnanostrukturen-Metallmatrix-Kompositen und insbesondere von Kohlenstoffnanostrukturen-Cu- oder -Al-Kompositmaterialien.With the solution according to the invention it possible for the first time a composite material as a material for electrodes and in particular for the Finger electrodes of the interdigital transducers of surface acoustic wave devices to use. The use of composite materials based on a Metal or a metal alloy or metal multilayers in Connection with nanostructures as storage phase as thin-film systems as material for Finger electrodes of the interdigital transducer is not yet known. In particular, it is not known to use carbon nanostructured metal matrix composites and in particular carbon nanostructured Cu or Al composites.

Von besonderem Interesse im Zusammenhang mit Nanokompositschichten für die o. g. Anwendungen als Schichtsystem für Interdigitalwandler für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente sind streng geordnete 0-, 1- oder 2-dimensionale Kohlenstoffnanostrukturen, wie Fullerene, einwandige oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes = CNTs) oder Kohlenstoffnanodrähte oder Graphene. CNTs können mit unterschiedlicher Qualität, als ein- (Singlewall-CNT = SWCNT) oder mehrwandige (Multiwall-CNT = MWCNT) Kohlenstoffnanoröhren entweder über Laser-Arc, Lichtbogen-Verfahren oder CVD ohne oder mit Plasmaunterstützung hergestellt werden. Besonders die sogenannte katalytische CVD (cCVD-Verfahren) ist zur Herstellung größerer CNT-Mengen geeignet. Die Eigenschaften der hergestellten CNTs sind abhängig vom Herstellungsverfahren. Über cCVD hergestellte CNTs sind überwiegend MWCNTs im Durchmesserbereich zwischen 10 nm und 100 nm. Die äußeren Hüllen besitzen meist viele strukturelle Defekte oder sie sind teilweise oder vollständig amorph. Auch können die CNTs gereinigt, funktionalisiert oder während oder nach der Herstellung mit verschiedenen Materialien gefüllt werden.From of particular interest in connection with nanocomposite layers for the o. G. Applications as a layer system for interdigital transducers for acoustic Surface Acoustic Wave Components are strictly ordered 0-, 1- or 2-dimensional carbon nanostructures, like fullerenes, single-walled or multi-walled carbon nanotubes (carbon Nanotubes = CNTs) or carbon nanowires or graphenes. CNTs can with different quality than single-wall CNT = SWCNT) or multi-walled (multiwall CNT = MWCNT) carbon nanotubes either via laser arc, Arc process or CVD produced with or without plasma support become. Especially the so-called catalytic CVD (cCVD method) is for the production of larger amounts of CNT suitable. The properties of the produced CNTs are dependent on Production method. about cCVD manufactured CNTs are predominant MWCNTs in the diameter range between 10 nm and 100 nm. The outer sheaths have usually many structural defects or they are partially or completely amorphous. Also can the CNTs are purified, functionalized or during or after production be filled with different materials.

Defektfreie CNTs können einen extrem hohen Young's Modul (bis etwa 1.2 TPa) und einen ballistischen Elektronentransport sowie eine hohe Wärmeleitung aufweisen.defect-free CNTs can an extremely high Young's Modulus (up to about 1.2 TPa) and a ballistic electron transport as well as a high heat conduction exhibit.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung für Schichtsysteme für Interdigitalwandler für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente können die bisherigen Nachteile der bekannten Lösungen für Interdigitalwandler für SAW-Bauelemente behoben oder zumindest signifikant verbessert werden, wobei insbesondere die homogene Verteilung der CNT's innerhalb des erfindungsgemäßen Schichtsystems verbessert und deren Anordnung gezielt gesteuert werden kann.With the solution according to the invention for layer systems for interdigital transducers for surface acoustic wave devices can the previous disadvantages of the known solutions for interdigital transducers for SAW components be corrected or at least significantly improved, in particular the homogeneous distribution of CNTs within the layer system according to the invention improved and their arrangement can be controlled specifically.

Weiterhin kann die Viskosität des Schichtmaterials in einem gewissen Bereich eingestellt werden und/oder auf einem bestimmten Wert gehalten werden, wodurch die Einfügedämpfung des Bauelementes positiv beeinflusst werden kann.Farther can the viscosity of the layer material can be adjusted in a certain range and / or be kept at a certain value, whereby the insertion loss of Component can be positively influenced.

Erfindungsgemäß können zur Herstellung leistungsverträglicher Metallisierungen für Elektroden und insbesondere für Interdigitalwandler für SAW-Bauelemente Schichtsysteme mit mindestens einer Einlagerungsphase (Kompositschichtsystem) aus null- (Fullerene), ein- (Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanodrähten), oder zweidimensionalen (Graphene) Kohlenstoffnanostrukturen eingesetzt werden, die mit einem Verfahren der Dünnschichtabscheidung (bevorzugt elektrochemische Abscheidung (Elektroplating)) hergestellt werden können. Zur verbesserten Benetzung mit den Matrixmaterial werden die CNTs funktionalisiert oder mit mindestens einer Zwischenschicht versehen, die nach dem Wachstum auf die Kohlenstoffmodifikationen, vorzugsweise mit Atomic Layer Deposition (ALD), aufgebracht werden.According to the invention can Manufacturing performance-friendly Metallizations for Electrodes and in particular for Interdigital transducer for SAW components Layer systems with at least one intercalation phase (composite layer system) zero (fullerenes), single (carbon nanotubes, carbon nanowires), or two-dimensional (graphene) carbon nanostructures are used, those using a thin-film deposition process (preferably electrochemical deposition (electroplating)) produced can be. to improved wetting with the matrix material, the CNTs are functionalized or provided with at least one intermediate layer after growth on the carbon modifications, preferably with atomic layer Deposition (ALD), be applied.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Schichtsysteme für Elektroden und insbesondere für Interdigitalwandler für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente kann beispielsweise derart erfolgen, dass auf ein Substrat Katalysatorpartikel (z. B. Fe, Ni, Co oder andere) aufgebracht werden. Das geschieht vorzugsweise in einer Durchlaufanlage, wobei entweder direkt die Katalysatorpartikel, z. B. über eine Sputtertechnik, aus einem übersättigten Dampf aufgebracht werden, oder in einer Durchlaufanlage zunächst eine dünne Schicht (1–5 nm Dicke) des Katalysatormaterials über eine der Dünnschichttechniken (Sputtern, Verdampfen, CVD) auf die Oberfläche des Substrates abgeschieden wird und über eine nachfolgende Wärmebehandlung die Bildung der Katalysatorpartikel durch Agglomerationseffekte erfolgt. Die Partikelgröße liegt, abhängig von den Prozessparametern, vorzugsweise zwischen 5 und 30 nm.The coating systems according to the invention for electrodes and in particular for interdigital transducers for surface acoustic wave components can be produced, for example, by applying catalyst particles (for example Fe, Ni, Co or others) to a substrate. This is preferably done in a continuous system, either directly the catalyst particles, z. B. over a sputtering technique, are applied from a supersaturated vapor, or in a continuous system, first a thin layer (1-5 nm thickness) of the Ka is deposited on one of the thin-film techniques (sputtering, evaporation, CVD) on the surface of the substrate and is carried out via a subsequent heat treatment, the formation of the catalyst particles by agglomeration effects. The particle size is preferably between 5 and 30 nm, depending on the process parameters.

Nachfolgend wird das beschichtete Substrat in einer C-haltigen Atmosphäre über thermisch aktivierte Prozesse oder thermisch-plasmaaktivierte Prozesse mit Kohlenstoffnanostrukturen, z. B. Kohlenstoffnanoröhren, beschichtet. Diese Kohlenstoffnanoröhren haben in diesem Fall eine Vorzugsrichtung mit Bezug auf die Oberfläche des Substrates.following For example, the coated substrate is thermally exposed in a C-containing atmosphere activated processes or thermal-plasma-activated processes with Carbon nanostructures, e.g. As carbon nanotubes coated. These carbon nanotubes have in this case a preferred direction with respect to the surface of the Substrate.

In einem anschließenden Prozess werden die Kohlenstoffnanostrukturen funktionalisiert (Bildung von O-H-Gruppen) und/oder über ALD mit mindestens einer Haftvermittlerschicht (z. B. TaN oder Ru) beschichtet, und anschließend mit Hilfe eines Abscheideverfahrens (bevorzugt Elektroplating) mit dem metallischen Matrixmaterial beschichtet, so das die Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanostrukturen teilweise oder vollständig ausgefüllt werden und das Matrixmaterial als Ummantelung für die Kohlenstoffnanostrukturen dient. Damit wird eine Kompositschicht erhalten, die ausgerichtete Kohlenstoffnanostrukturen in einem Matrixmaterial enthält, bei dem die Kohlenstoffnanostrukturen in einer Länge oder über eine Dicke eingelagert sind, die mindestens der Dicke der Schicht entspricht. Darüber hinaus ist eine ungerichtete Einlagerung der Kohlenstoffnanostrukturen in dem Matrixmaterial möglich, wenn die Kohlenstoffnanostrukturen zusammen mit der Metallschicht abgeschieden werden. Zu diesem Zweck können vorteilhaft die Kohlenstoffnanostrukturen dem Elektrolyten für die elektrochemische Abscheidung zugegeben werden.In a subsequent Process the carbon nanostructures are functionalized (formation of O-H groups) and / or over ALD with at least one primer layer (eg TaN or Ru) coated, and subsequently by means of a deposition process (preferably electroplating) with the coated metallic matrix material, so that the spaces between partially or completely filled in the carbon nanostructures, and the matrix material as a cladding for the carbon nanostructures serves. Thus, a composite layer is obtained, the aligned Contains carbon nanostructures in a matrix material the carbon nanostructures embedded in a length or over a thickness are at least equal to the thickness of the layer. Furthermore is an undirected incorporation of the carbon nanostructures possible in the matrix material, when the carbon nanostructures together with the metal layer be deposited. For this purpose, advantageously, the carbon nanostructures the Electrolytes for the electrochemical deposition is added.

Weiterhin ist es möglich, beide Herstellungsprozesse zu kombinieren, so dass das Schichtsystem Bereiche mit gerichtet angeordneten Kohlenstoffnanostrukturen enthält und gleichzeitig andere Bereiche, in denen die Kohlenstoffnanostrukturen ungerichtet angeordnet sind.Farther Is it possible, to combine both manufacturing processes, so that the layer system Contains areas of directionally arranged carbon nanostructures and simultaneously other areas where the carbon nanostructures are undirected are arranged.

Es ist auch möglich, Bereiche des Schichtsystems mit gerichteten und/oder ungerichteten Einlagerungsphasen mit Bereichen ohne Einlagerungsphase zu kombinieren.It is possible, too, Areas of the layered system with directional and / or non-directional To combine storage phases with areas without storage phase.

Neben dem Elektroplating kann die Aufbringung mindestens der Matrixschicht auch über andere Verfahren, beispielsweise stromlos mittels Electroless Plating erfolgen.Next electroplating may involve the application of at least the matrix layer also over other methods, for example, electroless electroless plating respectively.

Weiterhin kann die Beschichtung eines Substrates mit dem erfindungsgemäßen Schichtsystem erfolgen und nachfolgend das Substrat entfernt werden.Farther it is possible to coat a substrate with the layer system according to the invention and subsequently removing the substrate.

Das erfindungsgemäße Schichtsysteme kann auch für Elektroden für Mikrospiegelsysteme, für mikro-elektromechanische Drucksensoren oder -aktoren, für piezoelektro-mechanische Steuerelemente eingesetzt werden und zeigt dort auch eine verbesserte Leistungsverträglichkeit und Lebensdauer.The Layer systems according to the invention can also for Electrodes for Micromirror systems, for microelectromechanical pressure sensors or actuators, for piezoelectromechanical Controls are used and there also shows an improved power compatibility and lifetime.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.following the invention is based on an embodiment explained in more detail.

Dabei zeigenthere demonstrate

1 eine prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäßen Schichtsystems im Querschnitt mit gerichtet angeordneten Kohlenstoffnanostrukturen in Form von Kohlenstoffnanoröhren
und
1 a schematic representation of the layer system according to the invention in cross section with arranged arranged carbon nanostructures in the form of carbon nanotubes
and

2 eine prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäßen Schichtsystems im Querschnitt mit ungerichtet angeordneten Kohlenstoffnanostrukturen in Form von Kohlenstoffnanoröhren
und
2 a schematic representation of the layer system according to the invention in cross section with undirected arranged carbon nanostructures in the form of carbon nanotubes
and

3 Beispiele für transmissionselektronenmikroskopische Bilder

  • a) CNT-Cu-Schichtsystem mit einer Schichtdicke von 1,95 μm,
  • b) mit einem dünnen Ta(N)-Schicht mittels ALD beschichtete CNT vor dem Cu-Elektroplating
3 Examples of transmission electron microscopic images
  • a) CNT-Cu layer system with a layer thickness of 1.95 μm,
  • b) with a thin Ta (N) layer using ALD coated CNT before Cu electroplating

Beispiel 1example 1

Die Herstellung der Interdigitalwandler für SAW-Bauelemente aus dem erfindungsgemäßen Schichtsystem wird am Beispiel der Damaszen-Technik dargestellt.The Production of the interdigital transducer for SAW components from the layer system according to the invention is shown using the Damascus technique as an example.

Ein mit einer Lackmaske versehener Wafer aus Quarz wird mittels reaktiven Ιonenätzens in fingerförmige Anordnungen, den Interdigitalwandlern, von Abmessungen (Fingerbreiten) von 3,76 μm strukturiert und der verbliebene Lack abgelöst. Nachfolgend wird diese strukturierte Anordnung mit einer 5 nm dicken Schicht aus TaN als Barriereschicht und nachfolgend mit einer 50 nm dicken Cu-Schicht als Keimschicht versehen. Diese Schichten werden aufgesputtert. Danach werden auf die Cu-Schicht Ni-Katalysatorpartikel von einer mittleren Größe von 20 nm mit einer Dichte von 1000–5000 Teilchen/μm3 aufgebracht über ein Sputterverfahren im übersättigten Dampf.A quartz wafer provided with a resist mask is patterned by means of reactive ion etching into finger-shaped arrangements, the interdigital transducers, of dimensions (finger widths) of 3.76 μm, and the remaining lacquer is peeled off. Subsequently, this structured arrangement is provided with a 5 nm thick layer of TaN as a barrier layer and subsequently with a 50 nm thick Cu layer as a seed layer. These layers are sputtered on. Thereafter, on the Cu layer, Ni catalyst particles of an average size of 20 nm having a density of 1000-5000 particles / μm 3 are deposited by a supersaturated vapor sputtering method.

Im nachfolgenden plasmaunterstützten CVD-Prozess im Temperaturbereich zwischen 300°C und 500°C unter Verwendung von CH4 wachsen ein- und mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren mit einer mittleren Länge von 1–3 μm.In the following plasma-assisted CVD process in the temperature range between 300 ° C and 500 ° C using CH 4 mono- and multi-walled carbon nanotubes grow with a average length of 1-3 microns.

Anschließend wird über Elektroplating Cu unter Verwendung von schwefelsauren Elektrolyten auf die Oberfläche und um die Kohlenstoffnanoröhren deponiert, so dass die Anordnung aus CNTs vollständig bedeckt ist. Durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) mit einer Standard-Cu-Suspension wird das so entstandene Schichtsystem strukturiert. Dadurch werden vergrabene Interdigitalwandler-Fingerstrukturen aus einer CNT-Cu-Schicht mit im Wesentlichen eindirektional eingelagerten CNT's erhalten.Subsequently, over Elektroplating Cu using sulfuric acid electrolyte on the surface and around the carbon nanotubes deposited so that the array of CNTs is completely covered. By chemical-mechanical polishing (CMP) with a standard Cu suspension becomes the resulting layer system structured. This results in buried interdigital transducer finger structures from a CNT-Cu layer with substantially unidirectionally embedded CNT's received.

Bei einer Schichtdicke von 1,95 μm der CNT-Cu-Schicht beträgt der elektrische Widerstand 1,73 μOhmcm.at a layer thickness of 1.95 microns the CNT-Cu layer is the electrical resistance is 1.73 μOhmcm.

Diese Interdigitalwandler zeigen eine signifikant höhere Leistungsverträglichkeit und Lebensdauer im Vergleich zu Cu-Schichten ohne CNT-Einlagerungsphasen.These Interdigital transducers show a significantly higher power compatibility and lifetime compared to Cu layers without CNT aging phases.

Beispiel 2Example 2

Ein mit einer Lackmaske versehener Wafer aus LiNbO3 wird mittels reaktiven Ionenätzens in fingerförmige Anordnungen von 0.5 μm Breite und einem ebensolchen Abstand (Interdigitalwandler für Filterstrukturen im GHz-Bereich) strukturiert und der Restlack abgelöst. Nachfolgend wird diese strukturierte Anordnung mit einer 3 nm dicken Schicht aus Ta-Si-N als Barriereschicht und nachfolgend mit einer 50 nm dicken Cu-Schicht als Keimschicht versehen. Diese Schichten werden aufgesputtert. Danach werden chemisch funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhren mit einer schmalen Durchmesserverteilung mit einem Maximum bei 20 nm Durchmesser und einer Länge zwischen 3 und 5 μm in ein Cu-Elektrolyten gegeben und das Bad umgewälzt. In einem weiteren Prozessschritt erfolgt die Beschichtung mit dem Cu-Elektrolyten über Elektroplating.A lacquer-masked wafer of LiNbO 3 is patterned by means of reactive ion etching into finger-shaped arrangements of 0.5 μm width and a similar distance (interdigital transducer for filter structures in the GHz range) and the residual lacquer is peeled off. Subsequently, this structured arrangement is provided with a 3 nm thick layer of Ta-Si-N as a barrier layer and subsequently with a 50 nm thick Cu layer as a seed layer. These layers are sputtered on. Thereafter, chemically functionalized carbon nanotubes with a narrow diameter distribution with a maximum at 20 nm diameter and a length between 3 and 5 microns are placed in a Cu electrolyte and circulated the bath. In a further process step, the coating with the Cu electrolyte takes place via electroplating.

Diese Interdigitalwandler zeigen ebenfalls eine signifikant höhere Leistungsverträglichkeit und Lebensdauer im Vergleich zu Cu-Schichten ohne CNT-Einlagerungsphasen.These Interdigital transducers also show a significantly higher power compatibility and lifetime compared to Cu layers without CNT aging phases.

11
Substratsubstratum
22
Zwischenschichtinterlayer
33
Keimschichtseed layer
44
Einlagerungsphaseinterstitial phase
55
metallisches Matrixmaterialmetallic matrix material

Claims (29)

Schichtsystem für Elektroden, bestehend aus einem piezoelektrischen Substrat mit darauf befindlichen oder im Substrat eingebetteten Streifenstrukturen aus einem Kompositmaterial, welches aus einem metallischen Matrixmaterial mit mindestens einer Einlagerungsphase aus Kohlenstoffnanostrukturen besteht.Layer system for electrodes, consisting of a piezoelectric substrate with it or in the substrate embedded strip structures of a composite material, which from a metallic matrix material with at least one storage phase consists of carbon nanostructures. Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem das Schichtsystem für Interdigitalwandler für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente eingesetzt ist.Layer system according to claim 1, wherein the layer system for interdigital transducers for surface acoustic wave devices is used. Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem das Kompositmaterial amorphes oder nanokristallines Gefüge aufweist.Layer system according to claim 1, wherein the composite material has amorphous or nanocrystalline structure. Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem als metallisches Matrixmaterial ein fcc-Material mit einer hohen Leitfähigkeit vorhanden ist.Layer system according to claim 1, in which as metallic Matrix material a fcc material with a high conductivity is available. Schichtsystem nach Anspruch 4, bei dem als metallisches Matrixmaterial Al, Cu, Ag, Au, Pt oder Ru vorhanden ist.Layer system according to claim 4, in which as metallic Matrix material Al, Cu, Ag, Au, Pt or Ru is present. Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem das metallische Matrixmaterial zu 50,1 bis 99,9 Vol.-% enthalten ist.Layer system according to claim 1, wherein the metallic Matrix material is contained at 50.1 to 99.9 vol .-%. Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die Einlagerungsphase aus Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanodrähten, Fullerenen oder Graphenen besteht.Layer system according to claim 1, wherein the storage phase from carbon nanotubes, carbon nanowires, fullerenes or graphene. Schichtsystem nach Anspruch 7, bei dem die Kohlenstoffnanoröhren einwandig (Singlewall CNT) oder mehrwandig (Multiwall CNT) ausgebildet sind.Layer system according to claim 7, wherein the carbon nanotubes are single-walled (Singlewall CNT) or multi-walled (multiwall CNT) are formed. Schichtsystem nach Anspruch 7, bei dem die Einlagerungsphase in gerichteter Anordnung im Matrixmaterial enthalten ist.Layer system according to claim 7, wherein the storage phase is contained in a directional arrangement in the matrix material. Schichtsystem nach Anspruch 7, bei dem als Einlagerungsphase vollständig gefüllte Kohlenstoffnanoröhren oder gefüllte Fullerene vorhanden sind oder eine Kombination von solchen.Layer system according to Claim 7, in which the storage phase Completely filled Carbon nanotubes or filled Fullerenes are present or a combination of such. Schichtsystem nach Anspruch 7, bei dem als Einlagerungsphase eine Kombination von gefüllten Kohlenstoffnanoröhren oder gefüllten Fullerenen mit ungefüllten Kohlenstoffnanoröhren oder ungefüllten Fullerenen oder Graphenen vorhanden sind oder Kombination von solchen.Layer system according to Claim 7, in which the storage phase a combination of filled carbon nanotubes or filled Fullerenes with unfilled ones Carbon nanotubes or unfilled fullerenes or graphenes are present or combination of such. Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die Kohlenstoffnanostrukturen durch katalytische CVD-Verfahren hergestellte Kohlenstoffnanostrukturen sind.Layer system according to claim 1, wherein the carbon nanostructures carbon nanostructures made by catalytic CVD processes are. Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem neben der Einlagerungsphase weitere globulare, röhrenartige, stabförmige oder flächige Strukturen im Matrixmaterial enthalten sind.Layer system according to claim 1, wherein in addition to the Storage phase further globular, tubular, rod-shaped or area Structures are contained in the matrix material. Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die Kohlenstoffnanostrukturen der Einlagerungsphase stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Substrat verbunden sind.Layer system according to claim 1, wherein the carbon nanostructures the storage phase cohesively and / or non-positively connected to the substrate. Schichtsystem nach Anspruch 14, bei dem gerichtet angeordnete Kohlenstoffnanostrukturen der Einlagerungsphase alle mit einem Ende mit dem Substrat stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden sind.The layer system of claim 14, wherein directed arranged carbon nanostructures of the storage phase all connected with one end to the substrate cohesively and / or non-positively are. Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem zwischen Substrat und Schichtsystem eine Barriereschicht vorhanden ist.Layer system according to claim 1, wherein between Substrate and layer system a barrier layer is present. Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem auf dem Schichtsystem eine Deckschicht aufgebracht ist.Layer system according to claim 1, wherein on the layer system a cover layer is applied. Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die Streifenstrukturen vollständig oder nahezu vollständig in das Substrat eingebettet sind.Layer system according to claim 1, wherein the strip structures Completely or almost completely embedded in the substrate. Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems für Elektroden nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem entweder auf einer auf einem Substrat befindlichen Keimschicht Partikel oder eine Schicht eines Katalysatormaterials aufgebracht, dieser Schichtverbund einer Temperaturerhöhung ausgesetzt und nachfolgend mittels plasmaunterstützter Verfahren Kohlenstoffnanostrukturen hergestellt werden, sowie nachfolgend mindestens die Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanostrukturen durch ein metallisches Matrixmaterial ausgefüllt werden und/oder bei dem auf ein Substrat mit oder ohne bereits darauf befindlichen Schichten mittels plasmaunterstützter Verfahren Partikel aufgebracht werden, die während oder nach dem Aufbringen zur Herausbildung von Kohlenstoffnanostrukturen führen und nachfolgend die Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanostrukturen durch ein metallisches Matrixmaterial ausgefüllt werden.Method for producing a layer system for electrodes according to one of the claims 1 to 18, in which either on a substrate located on a Seed layer particles or a layer of a catalyst material applied, this layer composite exposed to a temperature increase and subsequently by means of plasma-assisted processes carbon nanostructures be prepared, and subsequently at least the spaces between the carbon nanostructures through a metallic matrix material filled out and / or on a substrate with or without it already layers applied by means of plasma-assisted processes particles be that while or after application to the formation of carbon nanostructures lead and below the spaces between the carbon nanostructures through a metallic matrix material filled out become. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem als Keimschichtmaterial Cu oder Ru oder TaN eingesetzt wird.The method of claim 19, wherein as a seed layer material Cu or Ru or TaN is used. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem als Katalysatormaterial Fe, Ni und/oder Co eingesetzt werden.The method of claim 19, wherein as the catalyst material Fe, Ni and / or Co are used. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem als Füllmaterial für die Kohlenstoffnanoröhren Fe, Ni und/oder Co eingesetzt werden.A method according to claim 19, wherein as filler material for the Carbon nanotubes Fe, Ni and / or Co are used. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem zwischen Substrat und Keimschicht eine Barriereschicht aufgebracht wird.The method of claim 19, wherein between substrate and seed layer, a barrier layer is applied. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem beim plasmaunterstützten Verfahren CH4-Gas eingesetzt wird.The method of claim 19, wherein in the plasma-enhanced method CH 4 gas is used. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem ein weiteres Gas zur Verdünnung des C-Gehaltes eingesetzt wird.The method of claim 24, wherein another Gas for dilution the C content used becomes. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem Ar oder He eingesetzt wird.The method of claim 25, wherein Ar or He is used becomes. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem als metallisches Matrixmaterial Al, Cu, Ag oder Au eingesetzt werden oder Legierungen oder Multischichten derselben.The method of claim 19, wherein as metallic Matrix material Al, Cu, Ag or Au are used or alloys or multilayers of the same. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Nanostrukturen mit einer Zwischenschicht versehen sind, die bevorzugt mittels Atomic Layer Deposition (ALD) aufgebracht wird.The method of claim 19, wherein the nanostructures are provided with an intermediate layer, preferably by means of Atomic Layer Deposition (ALD) is applied. Verfahren nach Anspruch 28, bei dem als Zwischenschicht ein Metall oder ein Oxid oder Nitrid, wie Ru, Ta, Ti, TaN, TiN, Hf-Oxid oder Zr-Oxid oder Multischichten oder Legierungen davon eingesetzt werden.A method according to claim 28, wherein as an intermediate layer a metal or an oxide or nitride, such as Ru, Ta, Ti, TaN, TiN, Hf oxide or Zr oxide or multilayers or alloys thereof be used.
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